《自然》新研究破解生命核心谜题：首批蛋白质如何诞生？ | 深度报道

来源：科技导报

文/Robert F. Service

（译自Science，2025，389（6763））

文章来源：原文发表于《科技导报》2025年第17期科技新闻-深度报道

首批蛋白质组装机制提供生命起源新线索——研究揭示RNA或能在无预制蛋白质机制条件下促成氨基酸连接

土耳其亚勒什勒湖等碱性湖泊可能曾是地球首批蛋白质组装的理想场所（图片来源：Science）

作为细胞中的“万能劳模”，蛋白质承担着从肌肉收缩到氧气输送等各类功能。生命的存续依赖于蛋白质，而蛋白质的合成又依赖于RNA。除了携带制造蛋白质的遗传指令，RNA还参与蛋白质的组装过程。在现代细胞中，首先由大型蛋白质酶将RNA片段与氨基酸（蛋白质的基本组成单位）连接，随后由RNA和蛋白质共同构成的细胞机器（核糖体）会读取信使RNA链上的编码序列，将氨基酸逐一连接成蛋白质链。但在数十亿年前，在酶和核糖体尚未演化的时代，生命最初的蛋白质又是如何形成的？

研究人员提出了一种全新机制：在无需复杂酶或核糖体参与的情况下，RNA和氨基酸可配对组装成小分子蛋白质（肽）。这项发表于Nature的研究，为揭示RNA如何协助形成首批简单蛋白质提供了线索，而这一关键过程也许正是生命进化的基石。

蛋白质合成过程（图片来源：科学网）

伦敦大学学院化学家、研究负责人Matthew Powner表示：“这是实现生命信息分子编码肽链的第一步。”慕尼黑路德维希-马克西米利安大学化学家Thomas Carell评价该研究“为解决前生命化学重大谜题提供了精彩洞见”。

蛋白质与核酸合作的核心在于RNA促进氨基酸连接的过程。氨基酸无法自发形成蛋白质，必须经过化学“激活”才能像火车车厢一样串联起来。现代生物通过大型酶促作用，促进氨基酸与细胞能量分子ATP的反应，生成一种特殊形态的氨基酸，并与RNA发生化学反应，进而形成一种活化复合物（氨酰基RNA）。之后，核糖体才能以其为原料，在剪除RNA片段的同时将氨基酸拼接成肽链。

自20世纪70年代以来，众多研究团队试图在模拟早期地球原始环境的条件下，通过化学策略合成活化氨酰基RNA。但Powner指出，这些反应要么效率低下，要么根本无法进行，且生成的化合物在水中极不稳定，难以在早期地球长期存续。

为突破这一局限，Powner团队转而研究另一种高能化合物，即参与多种细胞代谢反应的泛酰硫基乙胺。2024年，研究人员证实泛酰硫基乙胺可在早期地球湖泊环境中自然形成。在这项新研究中，他们将泛酰硫基乙胺加入含有氨基酸的水中，两者发生反应，形成名为“氨酰基硫醇”的复合物，这种物质随时可与RNA发生反应。耶路撒冷希伯来大学生命起源化学家Moran FrenkelPinter解释道：“这种复合物能使氨基酸与RNA结合，而非氨基酸之间的相互反应。”

RNA存在单链螺旋和双链螺旋2种形态。当Powner团队尝试使氨酰基硫醇与单链RNA反应时，氨基酸会无序地附着在RNA链各处。但使用更接近现代细胞中氨基酸配对模式的双链RNA时，反应生成的活化氨酰基RNA结构与酶促产物完全一致。未参与研究的伦敦大学学院生命起源化学家NickLane评价道：“这项成果令人印象深刻，即便过程略有不同，但确实呈现了生命化学的雏形。”Powner团队进一步推进实验，在反应体系中加入早期地球可能大量存在的硫化氢和硫代酸，成功使氨酰基RNA中的氨基酸片段自发性连接成肽链，且全程无需酶或核糖体参与。Lane指出，该研究目前仅能生成随机序列的肽链，与核糖体通过基因调控的有序排列不同。

Lane表示：“他们尚未攻克这一难题。”Powner对此表示认同，但也指出当前研究已发现部分RNA对特定氨基酸的结合具有微弱偏好性：“这只是第一步。”

尽管“有序排列”的难题尚未破解，Lane仍认为这项研究有助于弥合生命起源研究领域不同阵营的分歧。数十年来，“RNA优先”学派强调RNA的核心作用，而“新陈代谢优先”学派则主张自维持化学网络应先于自我复制的遗传分子出现。Lane表示，这项研究表明高能化合物在连接氨基酸与RNA过程中发挥关键作用，让“整个领域的观点在一定程度上趋于统一”。

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